衣物自動處理裝置的設計與實現

梁一丁，貴玉歆，趙 航，項業銘，李哲然

（同濟大學 中德工程學院，上海 201804）

0 引 言

通過在服裝業中廣泛應用自動化技術，能夠推動新工藝、新技術的不斷成熟和推廣，極大地提高企業的生產能力和經濟效益。近年來，人們將電子技術和計算機技術應用于紡織設備，使之成為高速高效的機電一體化的自動化單機或聯合機［1］。目前，應用于服裝行業的機電產品種類繁多，相關的研究專著和發明專利也很多。例如，在2010年中國國際紡織機械展覽會暨ITMA亞洲展覽會上，共有來自28個國家和地區的1 171家廠商參展［2］。從關于按大類劃分的參展商數占比的統計表格中可以看出，展品大類為紡紗、化纖和染整的參展商數超過總參展商的一半，而物流和倉儲等大類的參展商只占0.43%。可見，相對于機械化程度不斷提高的紡織環節，大部分服裝廠仍然采用手工勞動來進行包括收衣疊衣在內的衣物后續加工環節。

DSP開發平臺具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確和通用性好的特點［3］。研究者通過使用DSP開發工具［4］可以提高程序設計的效率［5］，降低程序設計的復雜度。

基于PSP開發平臺，本研究嘗試通過設計一種新型的機電設備來實現收衣疊衣環節的自動化，提供一種促進服裝行業后續加工環節機械化的方式。

1 設備的功能和用途

該設備通過衣物輸送裝置、衣物折疊裝置和自動卸衣衣架3個機械子系統，以及基于DSP的電子控制系統，完成“從衣物輸送到衣物和衣架的脫離，再到衣物折疊并儲藏”的一個工作流程。該設備可以在以下場合使用：

（1）服裝廠。在紡織工完成衣物的制作后，將成衣掛在位于導軌上的可伸縮衣架上，并由導軌將其送至衣物折疊裝置處，然后進行衣物的折疊。折疊完成后，衣物落入折疊裝置下方的收集裝置中。重復該流程，可以實現多件衣物依次處理的功能。

（2）家庭。作為一個新型的家用電器，該系統取代了手工勞動，能夠達到便捷收疊衣的效果，有利于家居生活智能化的發展。

2 整體架構設計

該設備由機械分系統和電子控制分系統兩大部分組成，并通過這兩個分系統的協同運作，實現了整個運動流程。

2.1 機械系統設計

機械系統由衣物輸送裝置、衣物折疊裝置和自動卸衣衣架組成。整體機械系統結構的建模如圖1所示。

圖1 整體機械系統結構

2.1.1 衣物輸送裝置

衣物輸送裝置如圖2所示，該裝置的輸送功能由一個同步帶傳動機構和一個單繩升降機構實現。同步帶傳動機構實現衣物在水平平面中的平移運動，將衣物在水平位置上移動到折疊裝置的工作區域內。系統在該機構中裝配有一直流剎車減速電機作為驅動。單繩升降機構可實現衣物和與其相連的同步帶傳動機構在豎直方向上的運動，將衣物在豎直位置上移動到折疊裝置的工作區域內。系統在該機構中裝配有一直流減速電機。

為了避免在靜定狀態下電機因所提升物體的自重載荷對電機造成的損壞，同時為了防止電機在斷電后由于慣性作用繼續轉動而導致豎直方向上的定位出現偏差，該裝置選用直流剎車減速電機，即在電動自行車中常用的電磁制動功能［6］。與常用的減速電機相比，剎車減速電機多了一組用于控制電磁鐵制動器的信號線。當該信號線上的電流信號中斷時，制動器自動抱死，使電機立即停止工作，使得輸送裝置在豎直平面上定位準確。

圖2 衣物輸送裝置

2.1.2 衣物折疊裝置

衣物折疊裝置位于衣物輸送裝置的一邊，一側導軌的正下方。衣物折疊裝置如圖3所示，該裝置的主體部分是一個可以在豎直平面內旋轉的箱體。箱體的上表面由5塊可以繞固定軸旋轉的塑料板組成。在箱體的后側面上有兩個夾子，用來使衣物與衣架脫離并且與薄板緊貼。工作時，衣物位于薄板上。該裝置通過板子的翻轉實現衣物的折疊。在折疊完成后，位于中間的兩塊薄板向下旋轉，衣物自然落入位于折疊裝置下方的收集裝置中。

圖3 衣物折疊裝置

該裝置的疊衣功能由曲柄搖桿機構和曲柄導桿機構實現。曲柄搖桿機構實現了箱體的翻轉，搖桿與箱體固定連接，曲柄由直流電機驅動。在搖桿的第一個極限位置時，箱體與水平面呈45°夾角，接收由輸送機構傳來的衣物。在該搖桿到達的第2個極限位置時，箱體近似水平，開始疊衣工作。曲柄導桿機構實現了薄板的翻轉。系統在薄板下裝上兩根平行導軌（如圖4所示），用滑塊將導軌與搖桿連接在一起，實現了衣板180°正反翻轉。

圖4 在折疊裝置上的曲柄導桿機構

2.1.3 自動卸衣衣架

衣架兩桿采用類似天線的伸縮機構，中間有繞線的軸，用線細一端連在衣桿頂端，一端連在繞線軸上。當衣架與箱體接觸時，繞線軸伸出的手柄與箱體上的電機在同一平面內。電機帶動繞線軸轉動，使系在桿件兩端的棉線帶動兩側衣桿向里收縮，直至橫向長度小于衣領大小，之后衣物傳輸裝置帶動衣架與衣物脫離。

2.2 控制系統設計

該裝置使用時序控制與傳感器控制兩種控制相結合的方式。系統采用DSP C2000嵌入式開發平臺［7-11］，32位架構，主頻高達150 MHz，可以滿足實時控制應用需求。該裝置使用的DSP控制系統輸出8路獨立的脈沖寬頻調制（PWM）信號，可以獨立控制8路電機的驅動。這8路信號通道控制衣物傳送裝置對負責提升的直流剎車減速電機、負責同步帶轉動的直流電機、衣物折疊裝置上裝的負責箱體翻轉和薄板翻折的電機和負責中間板開合的電機進行時序控制。同時，在衣物傳輸裝置上裝有一個測距傳感器，便于對衣物在導軌上的位置進行定位。在衣物折疊裝置的箱體后側面上裝有一限位開關，當夾子和箱體接近時，開關閉合，接通在箱體后側面的電機，使得與之相連的衣架的繞線軸轉動。

圖5 運動流程

控制系統的流程如圖5所示。具體的步驟如下：當掛有衣物的衣架到達與固定在傳輸裝置上的測距傳感器附近一定距離內時，傳感器將這一信號傳給DSP。在接收到信號后，DSP在一定時間內向負責箱體翻轉的電機輸出電壓信號，使箱體由水平位置旋轉到與水平面夾角45°的位置。到達位置后，箱體保持該位置一段時間。與此同時，衣架繼續在導軌上運動，直到衣架與箱體的上邊緣平齊，衣物自然攤在箱體的5塊薄板上。然后，兩個夾子翻轉，夾住衣服。在夾衣服的同時，夾子與箱體側板接近，閉合行程開關，接通位于箱體側板上的電機。電機帶動與之接觸的繞線軸的轉動，使衣架收縮。在一定時間后，夾子松開，與箱體側板遠離，斷開行程開關，箱體側板上的電機停止工作。在衣物輸送機構上的電機再次啟動，使衣架與箱體和衣服完全脫離。同時，負責箱體的電機反轉，使箱體回復水平狀態。然后，疊衣裝置上的左、右、下板依次翻折，完成折疊動作。最后，分為左、右兩部分的中板向下開啟，衣服自然落入箱體正下方的收集裝置中。

3 系統協調控制

經分析，該衣物處理裝置的協調控制主要在于輸送裝置和衣架的協調控制。這個關系如果處理不好，將會導致整個運動循環無法順利進行。

在整個運動循環中，由于輸送裝置上的同步帶進行的是間歇性的運動，如果同步帶的停止和再啟動時間沒有掌握好，有可能導致衣架沒有進入疊衣區域，或者無法順利實現衣架與衣服的脫離。因此，該協同控制中必須解決同步帶停止與再啟動2個時間節點的確定問題。因為與這兩個時刻之間的時間間隔是固定的，研究者只需要準確地知道同步帶停止的時刻，就可以確定再啟動的時刻。

該裝置使用測距傳感器所提供的距離參數來確定同步帶停止的時間，從而實現協同控制，傳感器把距離參數傳給控制器。當該參數小于一固定參數時，停止同步帶，便可以實現精確控制。實驗結果證明，當距離為2.5 cm時停止同步帶，能夠達到最好的效果。

4 試驗與分析

本研究的試驗把衣物平整度作為評價疊衣效果的指標。本研究把由該裝置處理的衣物與手工處理的衣物各放在一處，請來20位不了解兩組衣物處理過程的參與者，要求他們選出平整度更好的一組衣物。結果有12人認為手工折疊后的衣物的平整度較好，8人認為機械折疊后衣物的平整度較好。因此，可以認為手工折疊與機器折疊的效果基本相同。

為了檢驗自動衣物處理裝置的工作效率，本研究進行了相關的試驗。經過多次測驗，該裝置完成整個流程用時30 s，而疊衣過程僅用時8 s。疊衣的效果與人工疊衣的效果相同。

5 結束語

自動衣物處理裝置是一個符合市場要求和家居生活的機電設備。本研究基于DSP開發平臺，設計了一種自動收疊衣系統，并進行了實驗驗證。實驗結果表明，該設備可以初步代替人工進行收衣疊衣的工作，為服裝處理的自動化和機械化提供了一種新的實現方法。目前，該裝置能處理一定尺寸范圍內的衣物。在下一階段，本研究將著重提高該裝置的通用性，使其能夠處理尺寸特殊或者樣式特殊的衣物。同時，以提高折疊衣物的平整度為目標進行后續優化。

（References）：

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